湯亞玲+劉彥鵬+張輝宜

摘 要：通過(guò)對(duì)DASH7協(xié)議棧的分析與設(shè)計(jì)，并利用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)DASH7協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)分層思想設(shè)計(jì)了鏈路加權(quán)代價(jià)函數(shù)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)路由選擇。該Mesh網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)解決了DASH7協(xié)議網(wǎng)絡(luò)無(wú)法多跳路由所帶來(lái)的應(yīng)用瓶頸。

關(guān)鍵詞：DASH7；Mesh網(wǎng)；嵌入式平臺(tái)；web服務(wù)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）07-0035-04

0引言

為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等應(yīng)用中不斷提高的要求，更加健壯、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議成為研究的關(guān)鍵，目前比較流行的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、DASH7等。

DASH7是基于ISO18000-7標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，具有通用性好，低功耗、穿透障礙能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但按照標(biāo)準(zhǔn)DASH7協(xié)議的傳輸只允許執(zhí)行兩跳路由[1]，只能組成單一的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)法對(duì)DASH7及節(jié)點(diǎn)建立多跳Mesh網(wǎng)，阻礙的DASH7遠(yuǎn)距傳輸?shù)膽?yīng)用。

本文使用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)，將DASH7協(xié)議與Wi-Fi協(xié)議（或TCP/IP協(xié)議）相轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有路由選擇功能的DASH7協(xié)議的Mesh網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)可提升DASH7協(xié)議在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中的性能，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

1DASH7協(xié)議的分析與設(shè)計(jì)

DASH7是一種基于ISO18000-7的超低功耗開(kāi)源的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用433 Hz的SIM射頻傳輸[2]。與目前流行的ZigBee技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)：

（1）基于ISO18000-7的DASH7協(xié)議與基于IEEE802.15.4的ZigBee協(xié)議相比具有更好的通用性；

（2）DASH7的覆蓋范圍更大，約是ZigBee覆蓋范圍的6倍；

（3）DASH7的波長(zhǎng)更短[3]，具有更強(qiáng)的穿越障礙物的能力；

（4）具有更好的交互性。

由于ISO18000-7只簡(jiǎn)單制定了DASH7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)框架，本文參照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧[3]設(shè)計(jì)了一個(gè)比較完整的協(xié)議棧，其構(gòu)架層次如圖1所示。

圖1DASH7協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)

DASH7協(xié)議棧分為物理層（PHY）、鏈路層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用支持子層（APS）、應(yīng)用層（APL）。

PHY層首先做信道能量的檢測(cè)后，使用433 Hz頻率發(fā)送，物理層包括為MAC提供服務(wù)的接口和物理層管理實(shí)體（PLME），PLME需要維護(hù)物理層信息庫(kù)（PIB）。

MAC層依據(jù)ISO18000-7標(biāo)準(zhǔn)，使用了Z-MAC鏈路協(xié)議。Z-MAC是一種綜合TDMA和CSMA的混合型MAC協(xié)議，其可根據(jù)信道競(jìng)爭(zhēng)負(fù)載大小自適應(yīng)選擇策略。在信道負(fù)載過(guò)大環(huán)境下，Z-MAC執(zhí)行類(lèi)似CSMA方式[4]，在信道負(fù)載較小環(huán)境下，Z-MAC執(zhí)行類(lèi)似TDMA[5]方式，圖2所示是Z-MAC自適應(yīng)執(zhí)行的描述圖。

在圖2中，圖2（b）與圖2（c）為圖2（a）中節(jié)點(diǎn)在不同信道負(fù)載下的通信機(jī)制，圖2（b）為低負(fù)載信道中A與B節(jié)點(diǎn)的TDMA通信機(jī)制，圖2（c）為節(jié)點(diǎn)在高負(fù)載信道中的CSMA通信機(jī)制。

（a）節(jié)點(diǎn)的Z-MAC通信

（b）低負(fù)載下的TDMA方式

（c）高負(fù)載下的CSMA方式

圖2Z-MAC自適應(yīng)執(zhí)行描述

NWK層負(fù)責(zé)設(shè)備之間的通信，其包括網(wǎng)絡(luò)安全策略、路由選擇等，為了解決NASH7無(wú)法多跳路由的問(wèn)題，下文將具體描述使用嵌入式web服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多跳的Mesh網(wǎng)，并建立路由表，優(yōu)化路由選擇的方法。

NWK層依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)將NASH7節(jié)點(diǎn)分為End_Worker、Rout_Worker、Edge_Worker三種網(wǎng)絡(luò)身份，并用NetStatus（uintf8）區(qū)別標(biāo)記，表1所列是NASH7節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)記。

表1NASH7節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)記Node End_WorkerRout_WorkerEdge_Worker

NetStatusOx02Ox01Ox00

由于對(duì)NASH7節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理引入了域的概念，只有相同域內(nèi)節(jié)點(diǎn)才能自組網(wǎng)，同時(shí)，由Edge_Worker為域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址PAN_ID，并建立與維護(hù)一張節(jié)點(diǎn)的MAC地址與其PAN_ID的對(duì)應(yīng)表，每個(gè)域只能有一個(gè)Edge_Worker。

End_Worker節(jié)點(diǎn)為終端工作節(jié)點(diǎn)，Rout_Worker節(jié)點(diǎn)為中間路由節(jié)點(diǎn)，Edge_Worker節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或是域邊界節(jié)點(diǎn)，起作用為組網(wǎng)、接受數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

APS層是為NWK層與APL層提供一個(gè)通用的接口和安全管理，APL層為開(kāi)發(fā)人員提供硬件設(shè)備管理接口應(yīng)用框架下的API等。

2Mesh網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文先將完整的DASH7協(xié)議棧架構(gòu)于采用TI公司CC430系列中CC430F5137芯片的無(wú)線(xiàn)傳感器模塊上（模塊板裝載了溫濕度和電壓傳感器），并建立DASH7的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]；然后建立了多個(gè)嵌入式web服務(wù)器站點(diǎn)，并與網(wǎng)絡(luò)中Edge_Worker節(jié)點(diǎn)相結(jié)合作為Mesh網(wǎng)的邊界路由節(jié)點(diǎn)，其兼顧了Wi-Fi或TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)功能，同時(shí)具有路由優(yōu)化功能，可降低網(wǎng)絡(luò)的通信代價(jià)。

2.1DASH7無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)搭建

基于DASH7協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)End_Worker節(jié)點(diǎn)，一個(gè)Rout_Worker節(jié)點(diǎn)和一個(gè)Edge_Worker節(jié)點(diǎn)組成，End_Worker節(jié)點(diǎn)為終端工作節(jié)點(diǎn)，Rout_Worker節(jié)點(diǎn)為單跳中繼路由節(jié)點(diǎn)，其也可以作為終端工作節(jié)點(diǎn)，Edge_Worker節(jié)點(diǎn)為邊界融合節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、接受數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的封裝與轉(zhuǎn)發(fā)等作用。圖3所示為DASH7星型網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行流程圖。

圖3WSN星型網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行流程圖

2.2邊界路由節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)DASH7的Mesh網(wǎng)重點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)多跳功能邊界路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，利用邊界路由節(jié)點(diǎn)將多個(gè)星型DASH7的WSN連通組成Mesh網(wǎng)。

邊界路由節(jié)點(diǎn)是將Edge_Worker節(jié)點(diǎn)與嵌入式web服務(wù)器技術(shù)結(jié)合，同時(shí)利用嵌入式web服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)功能[7]將DASH7協(xié)議轉(zhuǎn)為Wi-Fi協(xié)議，并依賴(lài)Wi-Fi協(xié)議形成具有網(wǎng)關(guān)和多跳路由功能的異構(gòu)Mesh網(wǎng)。

嵌入式web服務(wù)器具有成本低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）嵌入式平臺(tái)的搭建

本文基于ARM9系列的S3C2440嵌入式平臺(tái)，采用開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)，修改Makefile文件和按照需求對(duì)Linux內(nèi)核裁剪后進(jìn)行交叉編譯，再將內(nèi)核移植到嵌入式ARM平臺(tái)，并為其制作根文件系統(tǒng)yaff2，將TP-Link WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)[8]移植到Linux系統(tǒng)中，使用TP-Link WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)Wi-Fi協(xié)議數(shù)據(jù)。

（2）web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

目前，常見(jiàn)的嵌入式web服務(wù)器有g(shù)oahead、thttpd、lighttpd等，本文選用穩(wěn)定性更強(qiáng)的boa-0.94.13。

上位機(jī)對(duì)boa-0.94.13源文件解壓后，修改configure配置文件和Makefile文件，并修改部分源代碼，交叉編譯后移植ARM平臺(tái)，建立相關(guān)目錄。

（3）sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)的移植

為方便上位機(jī)直接對(duì)嵌入式web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，需要為其建立數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用嵌入式輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite-3.6.23， 解壓后交叉編譯移植到ARM機(jī)中。

（4）通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)相應(yīng)的CGI應(yīng)用程序?qū)⑶度胧絯eb服務(wù)器接收到的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，便于查詢(xún)，并使用socket技術(shù)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)TP-Link WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖4所示是邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成圖。

圖4邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成

2.3路由算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為DASH7的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于路由優(yōu)化算法，是保證DASH7的Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)最小。本文以Dijkstra最短路徑代價(jià)算法為基礎(chǔ)，考慮了通信鏈路質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)來(lái)反應(yīng)鏈路之間的節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)。

Mesh網(wǎng)在考慮通信鏈路質(zhì)量時(shí)，信道的負(fù)載通信質(zhì)量通過(guò)MAC層Z-MAC協(xié)議調(diào)節(jié)，鏈路質(zhì)量主要考慮到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷不同路徑的鏈路代價(jià)。

DASH7路由算法的設(shè)計(jì)步驟如下：

步驟1：依據(jù)最短路由路徑樹(shù)算法（SPT）[9]將Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)建立分層，如圖5所示。

步驟2：結(jié)合將網(wǎng)絡(luò)分層的通信鏈路代價(jià)構(gòu)造加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）。

步驟3：依據(jù)鏈路代價(jià)利用Dijkstra最短路徑代價(jià)算法[10]選擇最佳路由路徑。

圖5Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)分層

Mesh網(wǎng)中路由節(jié)點(diǎn)視為圖N（V，A），V={V1，V2，…，Vm}有限的m個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，A={a1，a2，…，am}為m條有限的邊，Cm，n為同一條鏈路相鄰節(jié)點(diǎn)m與n之間通信代價(jià)，而Mesh網(wǎng)對(duì)應(yīng)多條路由鏈路，則第i條鏈路第t個(gè)節(jié)點(diǎn)與第t+1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信代價(jià)。

SPT算法計(jì)算加權(quán)路徑代價(jià)計(jì)算引入了加權(quán)參數(shù)α，其取決于鏈路質(zhì)量的好壞，鏈路i代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）為：

在邊界路由節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)以上路由算法，并建立路由表，基于DASH7的Mesh網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖6所示。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將上位PC機(jī)與Mesh網(wǎng)相連，就可以通過(guò)對(duì)嵌入式web服務(wù)器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖7所示是在web服務(wù)器搭建的前臺(tái)頁(yè)面，上位機(jī)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)嵌入式web服務(wù)器（訪(fǎng)問(wèn)地址為192.168.1.230），并調(diào)用服務(wù)器中的CGI應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)。

圖7Mesh網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：上位PC機(jī)通過(guò)本文設(shè)計(jì)的DASH7的邊界路由節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)內(nèi)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Mesh網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)DASH7協(xié)議棧的研究與設(shè)計(jì)，在DASH7的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）基礎(chǔ)上使用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有路由優(yōu)化選擇功能的邊界路由節(jié)點(diǎn)，解決了DASH7協(xié)議無(wú)法組建Mesh網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，其具有一定的理論研究意義與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ISO. ISO-IEC+18000-7， parameters for active air interface communications at 433 MHz [S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2004.

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[4]范奕.基于CSMA/CA改進(jìn)的Ad Hoc網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)， 2007.

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[7]潘琢金，王秋實(shí).嵌入式web服務(wù)器中動(dòng)態(tài)web技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（18）：3975-3978.

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[10]王恒，李敏，劉其琛，等.一種基于確定性調(diào)度的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，9（32）：1921-1928.

作者簡(jiǎn)介：湯亞玲（1974—），男，安徽廬江人，副教授。研究方向?yàn)橹悄芑畔⑻幚?、?shù)據(jù)挖掘及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；

劉彥鵬（1987—），男，河南南陽(yáng)人。研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芤约扒度胧胶途W(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

汪 浩（1986—），男，安徽滁州人。研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

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收稿日期：2014-04-16

基金項(xiàng)目：安徽省高校重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2011A039)；

安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(No.2009SQRZ076)

Design of Mesh network based on DASH7 protocol

TANG Ya-ling, LIU Yan-peng, ZHANG Hui-yi

(School of Computer Science, Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

Abstract: Based on the analysis of DASH7 protocol stack, the DASH7 protocol Mesh network of wireless sensor networks was designed by using the embedded Web server technology. On the basis of network hierarchical idea, the link weighted cost function was designed and network route selection was optimized. The Mesh network solves the application bottleneck that the DASH7 protocol network can not have multi-hop routing.

Keywords: DASH7; Mesh network; embedded platform; Web server

（3）sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)的移植

為方便上位機(jī)直接對(duì)嵌入式web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，需要為其建立數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用嵌入式輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite-3.6.23， 解壓后交叉編譯移植到ARM機(jī)中。

（4）通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)相應(yīng)的CGI應(yīng)用程序?qū)⑶度胧絯eb服務(wù)器接收到的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，便于查詢(xún)，并使用socket技術(shù)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)TP-Link WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖4所示是邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成圖。

圖4邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成

2.3路由算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為DASH7的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于路由優(yōu)化算法，是保證DASH7的Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)最小。本文以Dijkstra最短路徑代價(jià)算法為基礎(chǔ)，考慮了通信鏈路質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)來(lái)反應(yīng)鏈路之間的節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)。

Mesh網(wǎng)在考慮通信鏈路質(zhì)量時(shí)，信道的負(fù)載通信質(zhì)量通過(guò)MAC層Z-MAC協(xié)議調(diào)節(jié)，鏈路質(zhì)量主要考慮到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷不同路徑的鏈路代價(jià)。

DASH7路由算法的設(shè)計(jì)步驟如下：

步驟1：依據(jù)最短路由路徑樹(shù)算法（SPT）[9]將Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)建立分層，如圖5所示。

步驟2：結(jié)合將網(wǎng)絡(luò)分層的通信鏈路代價(jià)構(gòu)造加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）。

步驟3：依據(jù)鏈路代價(jià)利用Dijkstra最短路徑代價(jià)算法[10]選擇最佳路由路徑。

圖5Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)分層

Mesh網(wǎng)中路由節(jié)點(diǎn)視為圖N（V，A），V={V1，V2，…，Vm}有限的m個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，A={a1，a2，…，am}為m條有限的邊，Cm，n為同一條鏈路相鄰節(jié)點(diǎn)m與n之間通信代價(jià)，而Mesh網(wǎng)對(duì)應(yīng)多條路由鏈路，則第i條鏈路第t個(gè)節(jié)點(diǎn)與第t+1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信代價(jià)。

SPT算法計(jì)算加權(quán)路徑代價(jià)計(jì)算引入了加權(quán)參數(shù)α，其取決于鏈路質(zhì)量的好壞，鏈路i代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）為：

在邊界路由節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)以上路由算法，并建立路由表，基于DASH7的Mesh網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖6所示。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將上位PC機(jī)與Mesh網(wǎng)相連，就可以通過(guò)對(duì)嵌入式web服務(wù)器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖7所示是在web服務(wù)器搭建的前臺(tái)頁(yè)面，上位機(jī)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)嵌入式web服務(wù)器（訪(fǎng)問(wèn)地址為192.168.1.230），并調(diào)用服務(wù)器中的CGI應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)。

圖7Mesh網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：上位PC機(jī)通過(guò)本文設(shè)計(jì)的DASH7的邊界路由節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)內(nèi)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Mesh網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)DASH7協(xié)議棧的研究與設(shè)計(jì)，在DASH7的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）基礎(chǔ)上使用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有路由優(yōu)化選擇功能的邊界路由節(jié)點(diǎn)，解決了DASH7協(xié)議無(wú)法組建Mesh網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，其具有一定的理論研究意義與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ISO. ISO-IEC+18000-7， parameters for active air interface communications at 433 MHz [S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2004.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4-2006， ZigBee協(xié)議棧中文說(shuō)明 [S]. USA： Institute of Electrical and Electronics Engineers， 2006.

[3] DE SANCTIS Mauro， STALLO Cosimo， PARRACINO Stefano， et al. Interoperability solutions between smartphones and wireless sensor networks [C]// 2012 IEEE ESTEL Conference.University of Rome Tor Vergata， Italy： IEEE， 2012： 111-121.

[4]范奕.基于CSMA/CA改進(jìn)的Ad Hoc網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)， 2007.

[5]劉瑞瑞.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[6]楊林舉，詹宜巨，王榮杰.基于DASH7技術(shù)的溫度無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程，2007（4）：5-8.

[7]潘琢金，王秋實(shí).嵌入式web服務(wù)器中動(dòng)態(tài)web技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（18）：3975-3978.

[8]郭磊，廖啟征，魏世民，等.基于ARM9系統(tǒng)的USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2007（1）： 92-98.

[9] BECHKIT Walid， KOUDIL Mouloud， CHALLAL Yacine. A new weighted shortest path tree for converge cast traffic routing in WSN [J]. IEEE Transactions on Computers， 2013， 8（13）： 187-192.

[10]王恒，李敏，劉其琛，等.一種基于確定性調(diào)度的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，9（32）：1921-1928.

作者簡(jiǎn)介：湯亞玲（1974—），男，安徽廬江人，副教授。研究方向?yàn)橹悄芑畔⑻幚?、?shù)據(jù)挖掘及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；

劉彥鵬（1987—），男，河南南陽(yáng)人。研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芤约扒度胧胶途W(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

汪 浩（1986—），男，安徽滁州人。研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

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收稿日期：2014-04-16

基金項(xiàng)目：安徽省高校重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2011A039)；

安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(No.2009SQRZ076)

Design of Mesh network based on DASH7 protocol

TANG Ya-ling, LIU Yan-peng, ZHANG Hui-yi

(School of Computer Science, Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

Abstract: Based on the analysis of DASH7 protocol stack, the DASH7 protocol Mesh network of wireless sensor networks was designed by using the embedded Web server technology. On the basis of network hierarchical idea, the link weighted cost function was designed and network route selection was optimized. The Mesh network solves the application bottleneck that the DASH7 protocol network can not have multi-hop routing.

Keywords: DASH7; Mesh network; embedded platform; Web server

（3）sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)的移植

為方便上位機(jī)直接對(duì)嵌入式web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，需要為其建立數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用嵌入式輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite-3.6.23， 解壓后交叉編譯移植到ARM機(jī)中。

（4）通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)相應(yīng)的CGI應(yīng)用程序?qū)⑶度胧絯eb服務(wù)器接收到的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，便于查詢(xún)，并使用socket技術(shù)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)TP-Link WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖4所示是邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成圖。

圖4邊界路由節(jié)點(diǎn)的組成

2.3路由算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為DASH7的Edge_Worker節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于路由優(yōu)化算法，是保證DASH7的Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)最小。本文以Dijkstra最短路徑代價(jià)算法為基礎(chǔ)，考慮了通信鏈路質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)來(lái)反應(yīng)鏈路之間的節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)。

Mesh網(wǎng)在考慮通信鏈路質(zhì)量時(shí)，信道的負(fù)載通信質(zhì)量通過(guò)MAC層Z-MAC協(xié)議調(diào)節(jié)，鏈路質(zhì)量主要考慮到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷不同路徑的鏈路代價(jià)。

DASH7路由算法的設(shè)計(jì)步驟如下：

步驟1：依據(jù)最短路由路徑樹(shù)算法（SPT）[9]將Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)建立分層，如圖5所示。

步驟2：結(jié)合將網(wǎng)絡(luò)分層的通信鏈路代價(jià)構(gòu)造加權(quán)路徑代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）。

步驟3：依據(jù)鏈路代價(jià)利用Dijkstra最短路徑代價(jià)算法[10]選擇最佳路由路徑。

圖5Mesh網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)分層

Mesh網(wǎng)中路由節(jié)點(diǎn)視為圖N（V，A），V={V1，V2，…，Vm}有限的m個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，A={a1，a2，…，am}為m條有限的邊，Cm，n為同一條鏈路相鄰節(jié)點(diǎn)m與n之間通信代價(jià)，而Mesh網(wǎng)對(duì)應(yīng)多條路由鏈路，則第i條鏈路第t個(gè)節(jié)點(diǎn)與第t+1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信代價(jià)。

SPT算法計(jì)算加權(quán)路徑代價(jià)計(jì)算引入了加權(quán)參數(shù)α，其取決于鏈路質(zhì)量的好壞，鏈路i代價(jià)函數(shù)Cost（Pi）為：

在邊界路由節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)以上路由算法，并建立路由表，基于DASH7的Mesh網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖6所示。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將上位PC機(jī)與Mesh網(wǎng)相連，就可以通過(guò)對(duì)嵌入式web服務(wù)器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖7所示是在web服務(wù)器搭建的前臺(tái)頁(yè)面，上位機(jī)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)嵌入式web服務(wù)器（訪(fǎng)問(wèn)地址為192.168.1.230），并調(diào)用服務(wù)器中的CGI應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)。

圖7Mesh網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：上位PC機(jī)通過(guò)本文設(shè)計(jì)的DASH7的邊界路由節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)Mesh網(wǎng)內(nèi)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Mesh網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)DASH7協(xié)議棧的研究與設(shè)計(jì)，在DASH7的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）基礎(chǔ)上使用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有路由優(yōu)化選擇功能的邊界路由節(jié)點(diǎn)，解決了DASH7協(xié)議無(wú)法組建Mesh網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，其具有一定的理論研究意義與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ISO. ISO-IEC+18000-7， parameters for active air interface communications at 433 MHz [S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2004.

[2] IEEE. IEEE Std 802.15.4-2006， ZigBee協(xié)議棧中文說(shuō)明 [S]. USA： Institute of Electrical and Electronics Engineers， 2006.

[3] DE SANCTIS Mauro， STALLO Cosimo， PARRACINO Stefano， et al. Interoperability solutions between smartphones and wireless sensor networks [C]// 2012 IEEE ESTEL Conference.University of Rome Tor Vergata， Italy： IEEE， 2012： 111-121.

[4]范奕.基于CSMA/CA改進(jìn)的Ad Hoc網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)， 2007.

[5]劉瑞瑞.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[6]楊林舉，詹宜巨，王榮杰.基于DASH7技術(shù)的溫度無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程，2007（4）：5-8.

[7]潘琢金，王秋實(shí).嵌入式web服務(wù)器中動(dòng)態(tài)web技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（18）：3975-3978.

[8]郭磊，廖啟征，魏世民，等.基于ARM9系統(tǒng)的USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2007（1）： 92-98.

[9] BECHKIT Walid， KOUDIL Mouloud， CHALLAL Yacine. A new weighted shortest path tree for converge cast traffic routing in WSN [J]. IEEE Transactions on Computers， 2013， 8（13）： 187-192.

[10]王恒，李敏，劉其琛，等.一種基于確定性調(diào)度的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，9（32）：1921-1928.

作者簡(jiǎn)介：湯亞玲（1974—），男，安徽廬江人，副教授。研究方向?yàn)橹悄芑畔⑻幚?、?shù)據(jù)挖掘及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；

劉彥鵬（1987—），男，河南南陽(yáng)人。研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芤约扒度胧胶途W(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

汪 浩（1986—），男，安徽滁州人。研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

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收稿日期：2014-04-16

基金項(xiàng)目：安徽省高校重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2011A039)；

安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(No.2009SQRZ076)

Design of Mesh network based on DASH7 protocol

TANG Ya-ling, LIU Yan-peng, ZHANG Hui-yi

(School of Computer Science, Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

Abstract: Based on the analysis of DASH7 protocol stack, the DASH7 protocol Mesh network of wireless sensor networks was designed by using the embedded Web server technology. On the basis of network hierarchical idea, the link weighted cost function was designed and network route selection was optimized. The Mesh network solves the application bottleneck that the DASH7 protocol network can not have multi-hop routing.

Keywords: DASH7; Mesh network; embedded platform; Web server